銅與稀硝酸反應(yīng)及產(chǎn)物驗(yàn)證的綠色化設(shè)計(jì)

甘肅省武威市第一中學(xué)(733000) 劉會文

甘肅省武威市第六中學(xué)(733000) 金麗麗

在人教版化學(xué)必修一教科書 “硫酸、硝酸、氨”的內(nèi)容中,設(shè)計(jì)了銅和濃硫酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。教材中用“硝酸也能發(fā)生類似的反應(yīng)”,將硝酸與金屬反應(yīng)一筆帶過,基于產(chǎn)生的氮氧化物對環(huán)境污染的考慮,刪除了原有銅和硝酸反應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)。但該實(shí)驗(yàn)對學(xué)生理解硝酸的性質(zhì)有很大幫助,而且能很好的考察學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和評價(jià)實(shí)驗(yàn)的能力,還能培養(yǎng)學(xué)生 “科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的學(xué)科素養(yǎng)。

在實(shí)際的教學(xué)中,不少教師在講解銅和硝酸反應(yīng)時(shí),依然沿用舊教材上的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示,但舊教材的演示實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)不符合綠色化學(xué)理念,存在反應(yīng)難以控制和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯等諸多問題。鑒于該實(shí)驗(yàn)中存在的缺陷,筆者在實(shí)際教學(xué)中做了大量的嘗試以彌補(bǔ)原實(shí)驗(yàn)的不足。在借鑒他人創(chuàng)新成果的基礎(chǔ)上,經(jīng)過反復(fù)研究和多次改進(jìn),設(shè)計(jì)出了這套簡單易行、安全省時(shí)、隨用隨停、現(xiàn)象明顯,還可以反復(fù)使用的實(shí)驗(yàn)演示裝置,有效地解決了上述問題,極大地方便了教師課堂演示。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 設(shè)計(jì)綠色化

藥品用量少且循環(huán)利用；石灰水、NaOH 雙重防污,將環(huán)境污染和對師生健康造成的負(fù)面影響降到最低限度。

1.2 改進(jìn)科學(xué)化

標(biāo)準(zhǔn)裝置,易于進(jìn)行演示或分組實(shí)驗(yàn),可規(guī)范化操作。

1.3 操作簡單化

一次性連接好裝置,控制止水夾實(shí)現(xiàn)多步實(shí)驗(yàn),操作簡單。

1.4 現(xiàn)象明顯化

排盡空氣防干擾,利用氣壓控制反應(yīng),便于觀察,現(xiàn)象更明顯。

2 實(shí)驗(yàn)原理

硝酸中氮元素為＋5價(jià),因而具有強(qiáng)氧化性,能與不活潑金屬銅反應(yīng)。

當(dāng)V(NO2)∶V(NO)≥1∶1時(shí),尾氣可全被NaOH溶液吸收；對于較純的NO 可先補(bǔ)充適量的O2(空氣)使之被全部氧化后再進(jìn)行吸收。

3 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

實(shí)驗(yàn)藥品：銅片、稀硝酸、碳酸鈣、氫氧化鈉、澄清石灰水。

實(shí)驗(yàn)儀器：具支試管、玻璃導(dǎo)管、T 型管、注射器、球形干燥管、鐵架臺、止水夾、氣球、棉花、多孔塑料隔板。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按如圖1所示裝置連接。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

(2)檢查裝置的氣密性

關(guān)閉止水夾K1和K4,先觀察針筒活塞位置,向外輕拉活塞,松開后活塞能恢復(fù)到原來位置,說明裝置氣密性良好。

(3)裝藥品及排空氣

裝好藥品,插入導(dǎo)管,塞緊橡膠塞,打開止水夾K4,此時(shí)左邊試管內(nèi)碳酸鈣和硝酸反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳可以排除裝置內(nèi)的空氣,當(dāng)觀察到澄清石灰水變渾濁時(shí),說明裝置內(nèi)空氣已經(jīng)排凈。

(4)銅和稀硝酸反應(yīng)及產(chǎn)物驗(yàn)證

關(guān)閉止水夾K3,利用硝酸和碳酸鈣產(chǎn)生的二氧化碳將稀硝酸壓入中間試管,左邊試管液面下降,碳酸鈣和硝酸分離,反應(yīng)停止。右邊試管內(nèi)液面上升,稀硝酸與銅片接觸發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生大量無色氣泡,溶液慢慢變藍(lán)。

待反應(yīng)一段時(shí)間后,關(guān)閉止水夾K2,打開K1,慢慢將針筒內(nèi)的空氣推入試管中,可觀察到試管內(nèi)無色氣體迅速變?yōu)榧t棕色,證明產(chǎn)生的無色氣體為NO。

(5)尾氣處理

關(guān)閉止水夾K4,打開K3,將針筒內(nèi)剩余空氣推入裝置,使中間試管內(nèi)稀硝酸迅速壓入左邊試管,銅和稀硝酸及時(shí)分離,停止產(chǎn)生一氧化氮。左邊試管內(nèi)液面上升,碳酸鈣和硝酸重新反應(yīng)產(chǎn)生大量二氧化碳,將裝置中的氮氧化物吹出,被石灰水和蘸有氫氧化鈉的棉花充分吸收。

(6)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

①稀硝酸濃度不易過大,且左邊試管中加入量不易過多,要保證硝酸流出時(shí)與碳酸鈣分離,與中間試管中的銅片接觸；②氣球的作用是儲存多余的氣體,防止裝置內(nèi)氣壓過大造成危險(xiǎn)；③由于利用壓強(qiáng)差驅(qū)動液體流動,對裝置的氣密性要求較高。

5 實(shí)驗(yàn)效果評價(jià)

(1)利用二氧化碳排除裝置內(nèi)空氣,可有效觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；

(2)利用簡易啟普發(fā)生器原理,使固、液及時(shí)分離,減少有害氣體的生成；

(3)通過控制止水夾,實(shí)現(xiàn)了藥品的重復(fù)利用,最后利用廢液產(chǎn)生的CO2將裝置內(nèi)的有毒氣體帶出吸收,充分體現(xiàn)了綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的理念；

(4)整個(gè)實(shí)驗(yàn)在密封體系中進(jìn)行,裝置簡單,反應(yīng)可控,現(xiàn)象明顯,設(shè)計(jì)上充分考慮到實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、操作性,能有效培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和探究學(xué)習(xí)習(xí)慣；

(5)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過直觀的現(xiàn)象讓學(xué)生感受到氣體流向、顏色、壓強(qiáng)、濃度變化過程中反應(yīng)本質(zhì)的變化,加深對物質(zhì)物理、化學(xué)性質(zhì)的理解,體會元素、微粒之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,有利于學(xué)生形成學(xué)習(xí)化學(xué)知識的思維模式,培養(yǎng)學(xué)生“變化觀念與平衡思想”的核心素養(yǎng)。